四自由度关节型机器人的设计

毕业设计任务书
四自由度关节型机器人设计
学生指导教师
班级职称
系主任主管院长
XX学院
20XX年 5 月
前言
随着世界经济的发展和经济全球化，国内外的市场竞争将日趋激烈，企业必须走工业全面自动化的道路。

机器人的出现，正是顺应了工业自动化新阶段——柔性化的社会需要，是社会经济发达的必然产物。

机器人的产业化及其广泛应用，必将为社会带来巨大的经济效益，把人类从繁重的体力劳动和有害环境中解放出来。

机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛兴趣。

在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。

从近年世界机器人推出的产品看，未来工业机器人具有如下的发展趋势：
(1) 高级智能化
未来机器人与今天的相比最突出的特点在于其具有更高的智能。

随着计算机技术、模糊控制技术、专家系统技术、人工神经网络技术和智能工程技术等高新技术的不断发展，必将大大提高工业机器人学习知识和运用知识解决问题的能力，并具有视觉、力觉、感觉等功能，能感知环境的变化，做出相应反应，又很高的自适应能力，几乎能象人一样去干更多的工作。

(2) 应用广泛化
在21世纪，机器人不再局限于工业生产，而是向服务领域扩展。

社会的各个领域都可由机器人在工作，从而使人类进入机器人时代。

根据专家预测，用于家庭的“个人机器人”必将在21世纪得到推广和普及，人类生活将变得更加美好舒适，模仿生物从事生物特点动作的仿生机器人将倍受社会青睐，警备和军事用机器人也将在保卫国家安全方面发挥重用的作用。

(3) 产品微型化
微机械电子技术和精密加工技术的发展为机器人微型化创造了条件，以功能材料、智能材料为基础的微驱动器、微移动机构以及高度自治的控制系统的开发使微型化成为可能。

微型机器人可以代替人进入人本身不能到达的领域工作，帮助人类进行微观领域的研究：帮助医生对病人进行微循环系统的手术，使之可注入血管清理血液，清除病灶和癌变，尺寸极微小的纳米机器人将不再是梦想。

(4) 高精度、高可靠性
随着人类对产品和服务质量的要求越来越高，对从事制造业或服务业的机器人的要求也相应提高，开发高精度、高可靠性机器人是必然的发展结果。

采用最新交流伺服电动机或DD电动机直接驱动，以进一步改善机器人的动态特性，提高性：采用64位数字伺服驱动单元和主机采用32位以上CPU控制，不仅可使机器人精度大为提高，也可以提高插补运算和坐标变换的速度。

机器人工业是一个正在高速崛起的产业，随着机器人技术的不断发展和日臻完善，它必将在人类社会发展中发挥更加重要的作用。

2013届本科毕业设计（论文）
目录
前言 (i)
摘要.............................................................................................................................................................. i ii 第1章概述 (1)
1.1 机器人的发展概况 (1)
1.2 中国研制机器人情况 (2)
第2章机器人本体设计要求 (3)
2.1 设计的主要内容与要求 (4)
2.1.1 论文内容 (4)
2.1.2 设计要求 (4)
2.2 设计（论文）的主要技术指标和相关的技术参数 (4)
2.2.1 技术指标 (4)
2.2.2 重要设计参数 (4)
第3章机器人的结构设计 (5)
3.1自由度及关节 (6)
3.2基座及连杆 (6)
3.3机械手的设计 (7)
3.4驱动方式 (10)
3.5传动方式 (12)
3.6制动器 (13)
第4章控制系统硬件 (14)
4.1 控制系统模式的选择 (14)
4.2控制系统的搭建 (15)
小结 (23)
参考文献 (24)
致谢 (25)
摘要
本设计内容为四自由度关节型机器人，主要对关节型机器人的操作臂进行系统的设计，机器人的末端操作器即手指是可替换夹具，操作臂有四个自由度，可实现在工作空间范围内的物体的转移，手爪一次可载荷0.5kg。

操作臂的动力源为舵机，总共有5个舵机，它们分别控制腰部旋转，大臂、小臂、手腕的摆动，以及手爪张合，本文设计的四自由度关节型机器人可用于小工作空间内完成对小质量物体的转移工作，同时也可以做为教学机器人。

关键词：四自由度；操作臂；舵机
Abstract
This design is the 4-DOF joint robot, mainly designs on the operate arm system.
The ender operator of the robot is usually called paw is a exchangeable clamp. the operator has degrees of freedom，Which can transform objects in workspace. The paw is able to weigh 0.5kg loads each time.
It is servo that is the power of operating arm. There are five servo which are used respectively to control waist rolling、big arm、small arm、hand swing and paw opening and closing, the robot can be well applied to transfer the object with light in limited working space. Meanwhile it’s also used as teaching robot.
Key words:4-DOF ；operate arm；Servo
第1章概述
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。

它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。

一般说来机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

1.1 机器人的发展概况
第一代遥控机械手1948年诞生于美国的阿贡实验室，当时用来对放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。

第一台工业机器人诞生于1956年，是英格尔博格(J.Engelbrger)将控制技术与机械臂相结合的产物。

当时，主要是为了克服串联机构累积的系统误差，以便达到较高的空间定位精度，提出了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度提高了一个数量级。

至今绝大部分使用中的工业机器人仍采用这种编程方式。

第一台工业机器人的商用产品诞生于1962年，当时，其作业仅限于上、下料。

尔后的发展比预想中的要慢。

20世纪60年代，美、英等国很多学者，把机器人作为人智能的载体，来研究如何使机器人具有环境识别、问题求解以及规划能力，祈望使机器人具有类似人的高度自治功能，结果是始终停留在实验室阶段。

其中美国著名的斯坦福研究所的眼车计划，虽然形式上实现了心理学中典型的猴子和香蕉问题的求解，然而由于距离解决实际中的复杂问题太远，因而得不到进一步的支持，只好于1972年中止。

20世纪60年代末至70年代中，世界上很多著名的实验室、大学和研究所，如英国的爱丁堡大学人工智能实验室，英国的斯坦福大学、斯坦福研究所、麻省理工学院，以及日本的日立中央研究所等，都在致力了机器人装配作业的研究，单纯从技术出发模仿人进行的作业，或实现看图装配，或自动装配顺序生成等。

由于当时的工业水平还没有发展到相应的阶段，无法解决所遇到的技术难题，另一方面因耗费巨大而无法得到应用部门的支持。

至20世纪70年代中，由于所订目标过高，除了局部单元技术方面取得不少有意义的成果外，整体上说大部分研究没有取得有意义的实际结果［2］。

1968年，日本川崎重工引进美国Unimation公司的Unimate机器人制造技术，开始了日本机器人的时代，经过近十年的努力，开发了点焊、弧焊及各种上、下料作业的简易经济型机器人。

成功地把机器人应用到汽车工业、铸塑工业、机械制造业……，从而大大地提高了制成品的一致性及质量，形成了一定规模的机器人产业。

20世纪70年代，出现了更多的机器人商品，并在工业发达国家的工业生产中逐步推广应用。

1979年公司Unimation推出了PUMA系列工业机器人，它的关节由电动机驱动，可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人。

到1980年，全世界有2
万余台机器人在工业中应用。

20世纪80年代工业机器人产业得到了巨大的发展，但是所开发的四大类型机器人（点焊、弧焊、喷涂、上下料）主要用于汽车工业。

工业化国家的机器人产值，以年均20％~40％的增长率上升。

1984年全世界机器人使用总台数为8万台，到1985年底，己达14万台，到1990年已有30万台左右，其中高性能的机器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的机器视觉技术和装备也得到迅速发展。

1985年前后，FANUC和GWF公司又先后推出了交流伺服驱动的工业机器人产品。

随着以提高质量为目的的装配机器人及柔性装配线的开发成功，1989年机器人产业首先在日本，之后在各主要工业国呈发展趋势。

进人20世纪90年代后，装配机器人及柔性装配技术将进入大发展时期。

日本一直拥有全世界机器人总数的60％左右。

到1998年，美国拥有机器人8万台，德国为7万多台，分别占世界机器人总数的15％和13％左右。

到2000年，服役的机器人总数约100万台。

机器人大都工作于结构性环境中，即工作任务、完成工作的步骤、工件存放的位置、工作对象等都是事先已知的，而且定位精度也是完全确定的，所以机器人完全可以按事先示教编好的程序重复不断地工作。

当自动化进一步向建筑、采掘、运输等行业扩展时，其环境则是非结构化的，不能事先确定，或至少不能完全确定，总任务虽可事先确定，但如何去完成，要根据当时的实际情况来确定与制订。

因此，研究具有感知、思维，能在非结构环境中自主式工作的机器人就成了机器人学研究的长远目标。

实践证明，要达到这一目标，还需经过长时期的努力，等待—此重要技术有所突破，特别是机器视觉、环境建模、问题求解、规划等智能问题上。

因此，20世纪80年代末，各国把发展的目标调整到更现实的基础上来，即把以多传感器为基础的计算机辅助遥控加上局部自治作为发展非结构环境机器人的主要方向，而把智能自治式机器人作为一个更长远的科学问题去探索。

另外一个值得注意的方向是传统机械的机器人化。

日前，数控机床、工程机械、采掘机械等已开始向这一方向发展，进一步的发展将会带来这些机械本身的革命。

综上所述，机器人的发展已不局限于机器人本身，而将作为新一代整个机器的发展方向。

1.2 中国研制机器人情况
我国研究机器人的起步时间，其实并不比国外晚很多，大概在20世纪70年代前，当时，北京自动化研究所和沈阳自动化研究所相继开展了机器人技术的研究工作，但是由于种种原因，机器人技术研究及应用推广在我国十分缓慢。

直到90年代初，也就研制了150台左右，而且大部分是作为演示用的，不能在生产实践中发挥作。

这些机器人也是以示教型第一代机器人为主，这与当时世界25万台的机器人总量相比，差距很大。

造成这种现象的原因很多，其中与我国在机器人领域的研究
队伍较小，机器人技术教学工作薄弱不无关系。

从90年代开始，情况已经有所好转。

早期的“863”计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容，国家科委和国家自然科学基金委员会也都相继资助了一批有关机器人的研究项目。

在高等学校中，也陆续开展了机器人的教学课程和机器人技术的研究工作。

到目前为止，我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了一些重要成果，在某些技术领域已经接近国际前沿水平，比如，我国自行研制的水下机器人，在无缆的情况下可潜到水下6000米，而且具有自主功能，这一技术达到了国际先进水平。

但是从总体上看，我国在智能机器人方面的研究可以说还是刚刚起步，机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱。

另外，在机器人的应用方面．我国就显得更为落后，国内自行研制的机器人当中，能真正应用于生产部门并具有较高可靠性与良好工作性能的并不多。

（在这方面，北京自动化研究所研制的PJ型喷漆机器人可以说是国内值得骄傲的一种机器人，其性能指标已经与国际同类水平相当，而且在生产线上也经过了长期检验，受到了用户的好评，现已批量生产。

）
值得一提的是，最近几年，我国在汽车、电子行业相继引进了不少生产线，其中就有不少配套的机器人装置。

另外，国内的一些大专院校和科研单位也购买了一些国外的机器人，这些“洋机器人”的引入，也为我国在相关领域的研究工作提供了许多借鉴。

第2章机器人本体设计要求
本课题所设计的机器人属于垂直关节型机器人,具有四个自由度:三个旋转关节,轴线相互平行,实现平面内定位和定向；一个移动关节,实现末端件升降运动。

具体机械系统由基座、手臂和末端执行器三大部分组成,每一部分都有若干自由度,构成了一个多自由度的机械系统。

基座具有回转机构(肩关节),手臂由大臂、小臂组成,末端执行器(手部)是一个钳爪式手部结构。

2.1 设计的主要内容与要求
2.1.1 论文内容
工业机器人系统设计包括机械系统的设计、控制系统的设计。

为配合机电一体化专业的需要，本次毕业设计的主要完成对机器人机械结构部分的设计以及控制系统的设计。

2.1.2 设计要求
(1) 拟定（或评述）整体方案，特别是传感，控制方式与机械本题的有机结合的设计方案。

(2) 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部，腕部，臂部和机身的结构。

(3) 部分的设计计算
(4) 工业机器人工作装配图的设计与绘制。

(5) 编写设计说明书。

(6) 设计要有现实意义，具有实用价值。

2.2 设计（论文）的主要技术指标和相关的技术参数
2.2.1 技术指标
(1) 抓重：额定抓取重量或称额定负荷，单位为kg。

(2) 自由度数目和坐标形式：整机、手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式。

(3) 定位方式：固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关，电位器及其各种位置设定和检测装置；各个自由度所设定的位置数目或位置信息容量;点位控制或连续轨迹控制。

(4) 夹持范围（mm）和握力（即夹紧力）（N）。

）。

［8］
(5) 定位精度：位置设定精度及重复定位精度（mm
(6) 电路控制方法及程序容量。

2.2.2 重要设计参数
如表2—1为本次设计的重要参数
结构型式垂直关节型
自由度 4
手爪张合握紧/放松
手腕弯曲-90~90度
小臂摆动0~120度
大臂摆动0~120度
腰部旋转-150~150度
工作空间半径300mm
工作空间高度450mm
最大载荷0.5kg
第3章机器人的结构设计
该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，
本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。

3.1自由度及关节
图1
该机器人具有四个自由度，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，都为转动关
节；还有一个用于夹持物料的机械手。

3.2基座及连杆
2.2.1 基座
基座是整个机器人本体的支撑。

为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。

基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。

接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。

2.2.2 大臂
大臂长度230mm，具体尺寸如图2.1所示：
图2.1 大臂外形
2.2.3 小臂
小臂长度240mm，具体尺寸如图2.2所示：
图2.2 小臂外形
3.3机械手的设计
工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。

它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。

由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：
（1）夹钳式取料手
（2）吸附式取料手
（3）专用操作器及转换器
（4）仿生多指灵巧手
本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。

手指是直接与工件接触的部件。

手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。

该设计采用两个手指，其外形如图2.3所示
图2.3 机械手手指形状
传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。

根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。

本文采用回转型传动机构。

图2.4为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。

图2.4 机械手机构简图
在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。

通过两个机构串联，使电机
最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。

图2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。

为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。

另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。

图2.5为采用虚拟样机软件ADAMS来分析所设计的机械手机构的工作状况。

图2.5 虚拟样机场景
下面更进一步计算出所需要的电机力矩。

图2.6 力矩变化情况
从图2.6中看到，起始阶段须克服的弹簧力最大，电机转矩必须大于550N·mm，这为电机的挑选提供了一定的依据。

3.4驱动方式
该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。

机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。

这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1：
表2.1三种驱动方式的特点对照
内容驱动方式
液压驱动气动驱动电机驱动
输出功率很大，压力范围为
50～140Pa
大，压力范围为48～
60Pa，最大可达Pa
较大
控制性能利用液体的不可压缩
性，控制精度较高，
输出功率大，可无级
调速，反应灵敏，可
实现连续轨迹控制
气体压缩性大，精度
低，阻尼效果差，低速
不易控制，难以实现高
速、高精度的连续轨迹
控制
控制精度高，功率较大，
能精确定位，反应灵敏，
可实现高速、高精度的连
续轨迹控制，伺服特性
好，控制系统复杂
响应速度很高较高很高
结构性能及体
积结构适当，执行机构
可标准化、模拟化，
易实现直接驱动。

功
率/质量比大，体积
小，结构紧凑，密封
问题较大
结构适当，执行机构可
标准化、模拟化，易实
现直接驱动。

功率/质
量比大，体积小，结构
紧凑，密封问题较小
伺服电动机易于标准化，
结构性能好，噪声低，电
动机一般需配置减速装
置，除DD电动机外，难
以直接驱动，结构紧凑，
无密封问题
防爆性能较好，用液防爆性能好，高于设备自身无爆炸和火灾
安全性压油作传动介质，在
一定条件下有火灾危
险
1000kPa(10个大气
压)时应注意设备的抗
压性
危险，直流有刷电动机换
向时有火花，对环境的防
爆性能较差
对环境的影响液压系统易漏油，对
环境有污染
排气时有噪声无
在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱
动，电液伺服系统适
用于喷涂机器人、点
焊机器人和托运机器
人
适用于中小负载驱动、
精度要求较低的有限
点位程序控制机器人，
如冲压机器人本体的
气动平衡及装配机器
人气动夹具
适用于中小负载、要求具
有较高的位置控制精度
和轨迹控制精度、速度较
高的机器人，如AC伺服
喷涂机器人、点焊机器
人、弧焊机器人、装配机
器人等
成本液压元件成本较高成本低成本高
维修及使用方便，但油液对环
境温度有一定要求
方便较复杂
机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：
1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；
3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
4）．安全可靠；
5）．操作和维护方便；
6）．对环境无污染，噪声要小；
7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。

基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。

表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。

表2.2机器人驱动电机参数
电机参数 腰关节 肩关节 肘关节 腕关节 手爪 型号 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332
MULTIPLEX
STELL-SERVO MULTIPLEX
STELL-SERVO
额定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 18.2 N·m 18.2 N·m 18.2 N·m 10.3 N·m
10.3 N·m
最大转矩 67.4N·m 67.4N·m 67.4N·m 额定转速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm
5460rpm
最高转速
转子惯量 9200rpm
18.4gcm ·cm 9200rpm
18.4gcm ·cm 9200rpm
18.4gcm ·cm
3.5传动方式
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。

对机器人的传动机构的一般要求有：
（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；
（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；
（4）寿命长、价格低。

本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。

为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。

齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。

齿形带传动原理如图2.7所示。

齿轮带的传动比计算公式为 2
1
12z z n n i ==
齿轮带的平均速度a v 为
2211n t z n t z v a ⋅⋅=⋅⋅=
图2.7 齿形带传动
3.6制动器 制动器及其作用：
制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。

在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下： ① 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 ② 停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。

机械制动器：
机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。

其中最典型的是电磁制动器。

在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。

从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。

因此。